塔里木河中游荒漠河岸林土壤理化性質分布特征與植被關系

張海濤, 梁繼業,2, 周正立,2, 呂瑞恒,2

(1.新疆生產建設兵團塔里木盆地生物資源保護利用重點實驗室,新疆 阿拉爾843300; 2.新疆塔里木大學 植物科學學院, 新疆 阿拉爾 843300)

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塔里木河中游荒漠河岸林土壤理化性質分布特征與植被關系

張海濤1, 梁繼業1,2, 周正立1,2, 呂瑞恒1,2

(1.新疆生產建設兵團塔里木盆地生物資源保護利用重點實驗室,新疆 阿拉爾843300; 2.新疆塔里木大學 植物科學學院, 新疆 阿拉爾 843300)

為揭示土壤理化性質的空間變異特征及其與植物數量特征、物種多樣性的關系，運用相關性分析和回歸分析等方法對塔里木河中游荒漠河岸林不同生境土壤理化性質的空間變異規律及其與植物數量特征和物種多樣性進行了分析。結果表明：(1) 不同生境土壤理化性質有明顯的差異，表現為：土壤含水量、容重在河岸地帶大于過渡地帶和荒漠地帶，持水量、孔隙度、全鹽、pH值則隨著垂直于河岸距離的增加而增加，有機質、全磷、全鉀的最大值則出現在水熱資源組合較好的過渡地帶，生境內部不同土層理化因子變化呈現不同的規律；(2) 隨著距離河岸增加，喬木、灌木、草本的頻度、蓋度、密度存在不同程度退化，物種多樣性指數也明顯降低；(3) 植物數量特征、物種多樣性指數與土壤理化因子存在一定的相關性，全鹽量、容重、土壤含水量、pH、全氮、全磷與植物的數量特征指標和物種多樣性指數的關系最為密切；(4) 經回歸分析，表明土壤含水量是影響干旱地區植物生長的首要因子，而土壤養分也是影響植物生長的主要因素，且有機質、全磷、全鉀與植物生長狀況呈負相關。土壤理化性質的空間變異不僅促使區域植物數量特征發生明顯變化，而且也影響群落的演替，同時，植物的空間分布特征對土壤理化性質有明顯改良作用，通過二者關系的研究為塔里木河中游荒漠河岸林的恢復和土地沙化的治理提供理論支撐。

荒漠河岸林; 土壤理化性質; 植被生長狀況; 相關分析; 塔里木河中游

土壤作為森林生態系統內物質交換和能量守恒的載體，為植物的生長發育提供了必不可少的營養物質，這些營養物質對植物的分布格局和群落演替起著關鍵性的作用[1-2]。土壤中營養元素的缺失會對植物的生長產生一定的消極作用，具體表現為對植物種子萌發、根系分布和微量元素的攝取有一定的抑制作用，進而成為森林群落更新與植被演替的限制條件[3-4]。同時，植物群落的分布格局、密度、種類又會對土壤的肥力、發育結構、空間變異有很大的影響[5-6]。因此，土壤理化性質的空間分布特征與植被的演替一直是生態學研究的重點領域之一[7]。

近半個世紀以來，由于人類對塔里木河流域自然資源的不合理利用，使得該區水土流失加劇、地下水位下降、沙漠蔓延、土地鹽堿化加重、植被衰退、物種多樣性下降等生態環境問題更加突出，以塔里木河為屏障的綠洲—荒漠生態系統遭到了嚴重的破壞。干旱地區植被恢復和重建一直是生態學研究的重點領域[8-10]。塔里木河流域位于我國西北干旱地區，其生態問題越來越受到有關專家學者的重視，許多學者就塔里木河生態需水狀況、地下水位變化與生物多樣性之間的關系、河流水流量變化、土地利用時空動態變化與生態環境關系等方面展開了研究[11-14]，但是對塔里木河中游土壤理化性質與植被關系的研究大部分集中在單因子或雙因子層面[15-16]，多重因子土壤理化性質與植物數量特征和物種多樣性研究較少，難以系統地揭示該區土壤理化性質與植物數量特征和物種多樣性之間的關系。因此，本文通過塔里木河中游不同生境荒漠河岸林土壤理化因子與植物數量特征、物種多樣性指數進行研究，揭示影響該區植物數量特征和物種多樣性指數的主要理化因子，為塔里木河中游荒漠河岸林的生態修復提供理論依據。

1　研究區概況及研究方法

1.1研究區概況

研究區位于塔里木河中游(輪臺縣的英巴扎至尉犁縣恰拉)，該區夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥，晝夜溫差大、光照資源充足、日照時間長，屬于典型的暖溫帶干旱氣候[17]。地勢地平，河道錯綜復雜，地表水資源主要來源于季節性冰雪融水。年日照時數為2 442～2 925 h，年平均氣溫為10.9℃，極端最低氣溫為-25.5℃，年平均日較差為14.6℃，≥10℃積溫4 125.3℃，無霜期180～224 d，年平均降水量為65.5 mm，年平均蒸發量為2 024 mm。土壤以胡楊林土、荒漠土、鹽堿土和沙土為主。植物組成以楊柳科、檉柳科、豆科、菊科、禾本科為主，主要的喬木有胡楊(Populuseuphratica)、灰葉胡楊(Populusprunison)等，灌木有檉柳(Tamarixspp.)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)等，草本植物是該區植物群落的主要組成部分，主要有蘆葦(Phragmitescommunis)、脹果甘草(Glycyrrhizainflata)、花花柴(Kareliniacaspica)、羅布麻(Apocynumvenetum)等。

1.2研究方法

1.2.1樣地設置和樣品采集2014年8月初在新疆輪臺縣胡楊林自然保護區內進行野外調查，并依據地下水位的梯度和植被發育狀況，把荒漠河岸林分為河岸地帶、過渡地帶、荒漠地帶3個生境：河岸地帶地下水位<3 m，主要群叢為胡楊—檉柳—蘆葦+甘草；過渡地帶地下水位3～6 m，主要群叢為胡楊—檉柳—駱駝刺；荒漠地帶地下水位≥6 m，主要群叢為胡楊—檉柳—鹽生草。在不同生境內分別設置3個30 m×30 m的樣地，并在樣方內按照相鄰格子法對喬木的種類、胸徑、樹高、株數、冠幅等指標進行調查，同時在每個樣地內根據對角線法選取6個5 m×5 m的樣方調查灌木層，10個1 m×1 m的小樣方調查草本層，灌木、草本的調查指標包括：種名、株數/叢數、高度、冠幅等，同時用GPS記錄每個樣方的地理位置和海拔高度。隨后，在每個30 m×30 m的樣方內隨機選取3個點，每個點分5層采集土樣，每層厚度為20 cm，分別用環刀和鋁盒取土，并盡量保持所取土樣的土壤結構不被破壞，以便于對土壤的水文物理指標進行測定，每層土壤另取1 kg左右帶回實驗室風干剔除雜物用于土壤化學性質的測定。

表1　不同生境條件下植物群落概況

注：樹高、胸徑是指喬木更新苗、成熟木、枯死木的平均值。

1.2.2土壤理化指標的測定采用鋁盒烘干法測定土壤含水量，容重、持水量和孔隙度則用環刀法測得[18]。土壤化學指標的測定：有機質采用重鉻酸鉀—稀釋熱法，全氮用半微量—開氏法，全磷用HClO4-H2SO4法，全鉀用氫氟酸—高氯酸—火焰光度計法，pH、電導率分別用酸度計和電導率儀測定(水土比例為5∶1)[19]。

1.3數據分析與處理

1.3.1植物數量特征指標植物群落的數量是表示一個地區植物分布格局的主要形式，其計算公式如下[20]：

(1) 頻度(F):表示群落中某種植物出現樣方的百分率，它是反映某種植物分布均勻程度的一個指標，其計算公式為：

(2) 蓋度(C)：指植物地上部分垂直投影的面積所占樣地面的比率，可以用目測估計，也可以用樣點(測針)或格網法測得；

(3) 密度(D)：指單位面積，嚴格說應指空間的株數或生物個體數，其計算公式為：

1.3.2物種多樣性指數Shannon-Wiener多樣性指數(H)、Simpson優勢度指數(S)、Pielou均勻度指數(E)作為物種多樣性指數的表示方法[21-22]，計算公式如下：

(1)Shannon-Wiener指數(H)：

(2)Simpson指數(S):

(3)Pielou均勻度指數(E)：

E=H/ln(S)

式中：S——每一樣方的物種總數；N——S個種的全部重要值之和；Ni——第i個種的重要值。

圖表的制作采用Excel2007軟件，單因素多重比較、相關性分析、回歸分析等借助SPSS18.0軟件完成。

2　結果與分析

2.1土壤理化性質的空間特征

隨著植物生長狀況的變化和群落演替的差異，不同生境土壤理化性質發生明顯的變化(表2，表3)。土壤含水量、容重、全氮的含量由河岸地帶至荒漠地帶逐漸降低，分別降低84.30%，9.52%，65.67%，毛管持水量、最小持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、全鹽、pH明顯增加，分別增加了18.62%，32.85%，5.57%，18.62%，30.58%，322.70%，2.56%，有機質、全磷、全鉀的最高值出現在過渡地帶，分別為：11.86%，0.68%，6.01%，這是由于過渡地帶水熱組合合理，凋落物養分分解速度高于植物所吸收的養分。同時，隨著土層深度的增加，河岸地帶土壤含水量、容重和最小持水量呈“V”形變化，40—60cm均呈現最低，毛管持水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度則呈現相反的變化趨勢，土壤養分和鹽分隨著深度的增加而降低，表現為0—20cm>20—40cm>40—60cm>60—80cm>80—100cm，過渡地帶和荒漠地帶隨著土壤質地的均一化，土壤含水量、容重隨土層深度的增加而增加，持水量、孔隙度、鹽分、pH、養分等理化因子則隨土層的增加而降低，但受河水漫溢和植物根系影響，這種規律不太明顯，不同生境土壤理化因子的變異系數為0%～100%，均屬于中低等變異，且不同生境同一土層之間存在不同程度的差異。

2.2植被數量特征及多樣性指數

生態環境的異質性是引起植物空間分布格局變化的主要因素。如圖1所示，喬木頻度在河岸地帶和過渡地帶均達95%以上，在荒漠地帶則在10%左右，蓋度在河岸地帶和過渡地帶均在80%以上，在荒漠地帶其蓋度在10%左右，密度表現為隨著距離河岸的增加，密度呈現明顯的下降；灌木的頻度表現為河岸地帶>過渡地帶>荒漠地帶，蓋度在三個生境下較低，均在20%以下，密度與頻度呈現相同的變化趨勢；草本的頻度在三個生境條件下差異不十分明顯，均在95%以上，這與草本植物自身的適應有很大關系，蓋度和密度則表現為河岸地帶至荒漠地帶呈現明顯的下降趨勢，辛普森(Simpson)指數、香農維納(Shannon-Weiner)指數、皮埃羅(Pielou)指數隨著垂直于河岸距離的增加而明顯下降。

注：a,b,c表示不同生境同一土層進行單因素多重比較，p<0.05，均值欄括號內為變異系數。下表同。

表3　不同生境土壤化學性質統計特征

圖1　不同生境條件下植物的分布狀況

2.3植物生長特征與土壤理化性質的相關性分析

由表4可知：全鹽與d1，d2，d3呈極顯著負相關(p<0.01)，與f1，c1，f2，c3，H，S，E呈不同程度的負相關；pH與f1，f2，H，E呈極顯著負相關(p<0.01)，與d2，d3呈顯著性負相關(p<0.05)；有機質與f1，f3呈顯著性相關(p<0.05)，說明有機質不是制約該區植物生長狀況的主要因子；全氮與d1，d2，c3，d3，H，E呈極顯著相關(p<0.01)，與c1呈顯著性相關(p<0.05)；全磷與d1，f2，d2，c3，d3，H，S，E呈顯著性相關(p<0.05)；全鉀與f1，c1，c2，f3呈顯著性相關(p<0.05)，土壤含水量與d1，f2，d2，c3，d3，H，E均呈極顯著相關(p<0.01)，與f1，S呈顯著性相關(p<0.05)；容重除了與c2，f3，S無相關外，與其他指標呈不同程度的相關，綜上所述，土壤理化因子與植物數量特征、物種多樣性均呈現不同程度的相關。

表4　土壤理化因子與植物數量指標的相關性分析

注：f1，c1，d1，f2，c2，d2，f3，c3，d3，H，S，E分別代表喬木的頻度、蓋度、密度，灌木的頻度、蓋度、密度，草本的頻度、蓋度、密度，Shannon-Weiner指數、Simpson指數、Pielou指數。*表示在0.05水平下顯著相關，**表示在0.01水平下極顯著相關，n=8。

2.4植物生長特征與土壤理化性質的回歸分析

采用逐步回歸法對喬木頻度(Y1)、喬木蓋度(Y2)、喬木密度(Y3)、灌木頻度(Y4)、灌木蓋度(Y5)、灌木密度(Y6)、草本頻度(Y7)、草本蓋度(Y8)、草本密度(Y9)、Simpson指數(Y10)、Shannon-Weiner指數(Y11)、Pielou指數(Y12)指數與土壤全鹽(x1)、pH(x2)、有機質(x3)、全氮(x4)、全磷(x5)、全鉀(x6)、含水量(x7)、容重(x8)進行分析(表5)，結果表明植物數量特征指標、物種多樣性指數均與土壤理化因子呈極顯著相關(p<0.01，雙尾檢驗)，其中，土壤含水量(x7)與喬木頻度(Y1)、密度(Y3)，灌木頻度(Y6)，Simpson指數(Y10)，Shannon-Weiner指數(Y11)均有較強的相關性，說明水分是干旱地區制約植物生長發育的主要瓶頸。此外，全氮(x4)、全磷(x5)、全鉀(x6)、pH(x2)、有機質(x3)與植物生長狀況也存在不同程度的相關性，表明植物數量特征和物種多樣性的增加有利于土壤養分的循環和土壤的改良，而良好的土壤環境也有利于群落演替和植被恢復。

表5　植物生長狀況和土壤理化性質的多元回歸分析

3　結論與討論

(1) 土壤是在氣候、植被、母質、地形、人類活動等綜合影響下形成的，并隨著植被演替而發生明顯變化[23]。在一定程度上，植被正向演替會促使土壤理化性質有明顯改善，同時，植被負向演替也會導致土壤退化。荒漠河岸林退化是以人類干擾為驅動力、以植被減少為表現、以土地退化為本質、以景觀破碎化為標志的復合過程[24]。本研究表明植被覆蓋度高的河岸地帶土壤含水量、容重較高，持水、蓄水能力較好，而在植被發育較差的荒漠地帶土壤孔隙度較大，持水、蓄水能力嚴重不足，土壤容重下降，鹽分含量增加，值得注意的是土壤有機質、全磷、全鉀的最高值出現在水熱組合合理的過渡地帶，主要是由于植被凋落物分解所產生的有機質、全磷和全鉀的含量大于植被吸收的值，從而導致過渡地帶土壤養分富集。同時，植被的演替會隨地形、水分、土壤、光照的變化而呈現一定的規律。塔里木中游地處我國西北干旱地區，水分是制約該區社會穩定和經濟發展的瓶頸。研究表明在水分充足的河岸地帶喬木、灌木、草本的頻度、蓋度、密度和辛普森(Simpson)指數、香農維納(Shannon-Weiner)指數、皮埃羅(Pielou)指數均處于優勢地位，究其原因主要是因為該區地下水位為2～5 m，是植物生長的合理水位[25]，而在生境退化的荒漠地帶，喬木、灌木比例逐漸減少，物種組成漸趨簡單，生活型更加單一化，草本植物成為該區主要的優勢種。同時，該區植物多樣性指數與環境退化呈現明顯的耦合關系，伴隨著環境退化，植被多樣性指數也明顯降低，因此，植物多樣性指數可以作為評價該區生態環境的重要依據。

(2) 土壤與植物是相互統一的有機體，土壤水分、養分為植物生長提供了營養物質，其合理組合有利于植被生長和群落演替，同時植物群落演替所產生的凋落物對土壤結構、土壤養分和土壤蓄水能力有很好的改良作用，為植物的生長和物種多樣性的穩定提供了有利條件[26-27]。然而，植物和土壤的關系較為復雜，不同學者對不同區域的研究結果也不盡一致，楊麗霞等通過對黃土高原丘陵區不同植被類型群落多樣性與土壤有機質、全氮關系的研究表明物種多樣性指數與有機質、全氮呈顯著性正相關[28-30]，也有研究表明小流域內土壤化學性質與植物多樣性呈負相關[31]。而本研究結果表明：土壤全鹽、pH、土壤容重、土壤含水量與植物的數量特征和物種多樣性的相關性較好，說明土壤結構和全鹽、pH是影響荒漠河岸林群落演替的主要因子。而有機質、全磷與物種多樣性和植物數量特征的關系一般，這與王順忠在青海湖鳥島的研究相一致[32]，說明該胡楊林區有機質和全鉀的含量較低，能夠滿足植被的基本需求，但并未成為影響群落演替的主要因子，通過回歸分析進一步表明土壤水分是限制該區群落演替的主要因子，而土壤有機質、全磷、全鉀則與植物生長狀況呈現負相關，這可能與不同地區環境條件，如氣候、土壤類型有直接關系。盡管土壤理化因子與植物生長狀況呈現不同的規律，但是植被恢復是土壤改良的前提條件不容置疑，至于不同土層土壤理化性質與植被的關系有待進一步研究。對于該區植被恢復和生態治理應以堅持發展為理念，限制過度開墾、灌溉，節約用水以保持合理的地下水位，并注意引進適宜干旱地區生長(耐旱、耐鹽)物種，通過植物和土壤的相互作用逐步提高該區的生態環境，確保荒漠河岸林資源的可持續開發。

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Relationship Between Distribution Characteristics of Soil Physicochemical Properties and Vegetation in Desert Riparian Forest in the Middle Reaches of the Tarim River

ZHANG Haitao1, LIANG Jiye1,2, ZHOU Zhengli1,2, Lü Ruiheng1,2

(1.Key Laboratory of Protection and Utilization of Biological Resources inTarimBasin,XinjiangProductionandConstructionCorps,Alar,Xinjiang843300,China;2.CollegeofPlantScienceandTechnology,TarimUniversity,Alar,Xinjiang843300,China)

In order to understand the spatial variability of soil physical and chemical properties and the relationship between soil physicochemical properties and plant quantitative, species diversity. We used the methods of correlation and regression analysis to examine the relationship between soil physicochemical properties and plant quantitative, species diversity. The results showed that: (1) the physical and chemical properties of soil had significant variations in different habitats, soil water content and bulk density in riparian area were higher than transition and desert area, the levels of water-holding capacity, porosity, total salt, pH were become higher as the distance increased from the river bank, and the maximum levels of organic matter, total phosphorus, total potassium were observed in transition place where the water and sunshine had the good combination, the physical and chemical properties had different patterns in the layers of soil in interior habitat; (2) the frequency, coverage, densiteis of tree, shrub, herbal had degradated to various extents, and the species diversity indexes presented the decrease trend; (3) with the analysis of these two factors, the quantitative characteristics indicators of plant and the species in this area had a certain correlation with soil physical and chemical proterties, total salt, bulk density, water content, pH, total nitrogen, total phosphorus were most close to quantitative characteristics and species diversity index; (4) through regression analysis, it showed that the soil water content was the first factor affecting plant growth in this region, the soil nutrient was the main factor, at the same time, organic matter, total phosphorus and total potassium were negatively correlated with plant growth condition. These results suggested that soil physicochemical property changes not only led to the plant change, but also affected plant succession processes, meanwhile, the plants had the significant function for improvement of soil physicochemical properties. Studying the relationship between soil physicochemical properties and vegetation, will provide the theoretical

for the environment recovery and controling the processs of land desertification in the middle reaches of Tarim River.

desert riparian forest; soil physicochemical properties; the growth condition of vegetation; correlation analysis; middle reaches of Tarim River

2015-09-09

2015-10-07

973計劃前期研究專項資助項目(2012CB723204);國家自然科學基金資助項目(31360109);兵團博士資金資助項目(2008JC15)

張海濤(1988—),男,山西省呂梁人,在讀碩士,主要從事荒漠化防治與景觀生態學。E-mail:zhht307@126.com

梁繼業(1976—),男,吉林白城人,博士,副教授,主要從事荒漠化防治與景觀生態學。E-mail:jethro123123@126.com

Q948.113

A

1005-3409(2016)02-0006-07